口动玩具测试仪的设计与应用

林鹏辉 王璨 林殷

（汕头出入境检验检疫局 广东汕头 515800）

1 引言

玩具是涉及儿童安全卫生的产品，因为玩具的结构、设计、用料不当对儿童造成的伤害时有发生，国内外标准均对玩具的机械物理性能和易燃性试验做了严格要求。口哨、口琴等口动玩具由于可以同时锻炼儿童听觉和运动技能而被广泛使用，玩耍时儿童将玩具放在口中通过吹吸发出声音，如果口动玩具中的小零件（如口哨簧片）在吹吸过程中发生松散，脱落出的小零件会直接进入儿童口中，造成严重的窒息危险。近年来全国各地发生过多起玩具口哨导致的儿童安全事故。依据国家质检总局官方资料统计，从2016年1月—2017年6月欧盟及美国玩具标准新规正式实施1年半来，欧盟及美国共通报召回我国出口口动玩具共42起，通报召回案例所涉及的国家共6个（图1），通报玩具产品所涉及的危险原因均为耐久性测试后有小零件脱落[1]。

从口动玩具的通报召回数据可以看出，国外对中国出口口动玩具相当警惕，抽查力度较大；另一方面，国内生产企业对口动玩具的产品设计存在缺陷，质量管控不够严格等问题。

图1 欧盟及美国通报召回中国口动玩具统计图

目前针对口动玩具耐久性测试，玩具检测行业缺少统一规范的检测设备，存在检验规程不统一，操作测试不规范等问题。本文研发的口动玩具耐久性测试装置基于玩具标准测试要求，采用先进的PLC控制技术和高精度微压压力传感器，该装置包括电机、传动机构和气泵、汽缸压力传感器及控制系统和控制电路等。传动机构包括齿轮、与齿轮同轴固定连接的传动轮和连杆，气泵包括储气筒、活塞和活塞杆，储气筒的前端设有进出气孔，气孔各连接气管，进出气管上各设有单向阀，进出气管通过金属套管与口动玩具的吹嘴连接。可满足口动玩具检测需求，结构合理，操作方便，具有吸气和排气量精确控制，重复性好，测试结果准确可靠的优点。

2 标准要求

国家玩具标准GB 6675[2]对口动玩具要求：含有松动部件的口动玩具（如口哨中的小球、声响玩具中的簧片等）经口动玩具耐久性测试后，不应脱出任何能完全容入小零件试验器的部件。测试时，在玩具的气门嘴处连接一个在3 s内能排出或吸入超过300 cm3空气的活塞泵，并安装一个放气阀，使得气泵不能产生大于13.8 kPa的正负压力。将玩具连续进行10次吹吸交替测试，每个吹吸过程在5s内完成。最少吸和吹各295 cm3±10 cm3的空气，该空气量包括可能通过放气阀释放的空气体积。如果玩具本身的排气阀可触及，则以上测试亦适用于该排气阀。按小零件测试判定是否有完全容入小零件试验器的脱落部件[1]。

EN 71[3]、ISO 8124[4]和 ASTM F963[5]标 准 在 口动玩具耐久性测试的基础上，增加对口动弹射玩具的要求。欧盟玩具标准EN 71-1：2014要求口动玩具内如含有松散部件，如口哨中的小球或响哨中的簧片，当按照口动玩具耐久性测试后，不应产生能完全容入小零件试验器的物体；国际标准ISO 8124-1：2014要求口动弹射玩具应根据口动玩具耐久性测试，不应允许弹射物通过吹嘴；美国标准ASTM F963-16要求，经口动玩具耐久性测试后，从发射机构脱落的不可拆卸簧片不应容入小零件试验器。由此可见，3个标准对口动玩具测试装置的要求等同国家玩具标准GB 6675。

综上所述，虽然 GB 6675、EN 71、ISO 8124 和ASTM F963标准涉及对口动玩具的要求范围不尽相同，但对耐久性测试装置的要求一致。

3 结构设计

该测试装置主要由活塞泵、电动执行机构、汽缸压力传感器及控制系统、控制电路组成。口动玩具测试仪的设计结构图如图2所示。

图2 口动玩具测试仪的设计结构图

3.1 电动执行机构

标准要求吹和吸的动作在5s内完成，为了简化机械结构，电动机构采用偏心轮传动系统，电机经变速箱多级变速后，每5s为1转，带动1个直径为60 mm的偏心轮，推动活塞泵工作，每1转正好完成1次吹和吸的动作。传动轮与活塞泵的连接示意图见图3。

图3 传动轮与活塞泵的连接示意图

3.2 活塞泵及进出气管连接机构

活塞泵包括储气筒、活塞和活塞杆，活塞杆与连杆另一端铰接，储气筒采用缸内直径为80 mm，行程为60 mm的汽缸，汽缸的排出和吸入气体的容积为（8/2）2×3.14×6≈301.44 cm3[6]。 气缸的前端设有进出气孔，进出气孔分别连接有气管，在进出气管上设有单向压力阀，2个压力阀分别调整在13.8 kPa和-13.8 kPa，进出气管分别与金属套管的外管和内管连接，金属套管与口动玩具的吹嘴连接。其中金属套管是由直径不同的内外管构成，气泵的进气管与金属套管的外管连接，出气管与金属套管的内管连接。金属套管上设有电磁阀，该电磁阀与设置在气缸内的压力传感器连接。活塞泵内部的进气管和出气管与金属套管的连接示意图见图4。

图4 活塞泵的连接示意图

3.3 汽缸压力传感器及控制系统

采用机械及电控相结合的控制系统，由1个精度为0.5%FS的PTP 708型微压压力传感器、1个精度为0.2%FS的PY500型数字压力控制仪表，1个电磁阀及2个单向阀组成。电磁阀及单向阀均与汽缸连接，单向阀实现粗放控制，而电磁阀配合高精度微压压力传感器和数字压力控制仪表组成的控制系统对汽缸压力进行精细控制[7]，这样解决了单向阀控制精度调整难和电磁阀回差滞后的问题，从而保证汽缸内压力不大于13.8 kPa。

3.4 控制电路

由精度为0.2%FS的Buiacs CH7型智能数字控制仪表和霍尔磁敏传感器组成，可自由设定测试次数，当吹和吸动作达到设定的测试次数时，控制电路自动切断电动执行机构的电源，完成整个测试[8]。

3.5 口动玩具测试仪的机械结构图

口动玩具测试仪的机械结构如图5所示。

图5 口动玩具测试仪的机械结构图

4 工作原理

口动玩具测试仪的核心是控制电路和电机、活塞泵组成的驱动部分，确保每次最少吸和吹各295 cm3±10 cm3的空气，汽缸压力传感器及电磁阀调整气缸内压力小于13.8 kPa，控制电路设定进行10次吹吸交替测试。

测试装置使用时，先启动装置的电源开关，将玩具吹嘴连接到装置的金属套管上，设置数字压力控制仪表为13.8 kPa，测试次数10次，控制电路接收所有设置信息，经过分析和数据处理后，输出启动信号，控制电机启动。电机输出动力经变速器和传动机构传递后，活塞杆推动气泵的活塞来回往复运动，实现排出和吸入气体，5 s内完成1个周期吸和吹的动作，进行10个周期的测试。测试结束，关闭电源，取下玩具，检查玩具在测试过程中是否有小零件脱落，如果没有，则为合格。

测试装置的工作原理如图6所示。

图6 口动玩具测试仪的工作原理图

5 测试应用

口动玩具耐久性测试仪的应用旨在防止口动玩具或其吹嘴部件无意中被吸入而引起儿童窒息死亡，这类玩具及其可拆卸部件以及按照相关要求测试后分离的部件，不得因尺寸太小而被意外吞咽或吸入。

实验采用的样品为5只不同外形设计的口哨，测试设备采用研发完成的设备，测试时首先判定该口动玩具是否含有松动部件，经目视及拆卸检查，5只样品均含有松动部件。将玩具吹嘴连接至设备的金属套管外辅助软管，对测试过程的气缸内实时气压值进行监控，被测样品与测试设备见图7与图8，测试结果见表1。

图7 被测样品

图8 口动玩具测试仪

表1 口动玩具测试结果

结果表明，每个吹吸过程均在5 s内完成，微压压力传感器能对气缸内压力进行实时监控，电磁阀和2个单向阀能及时调整气缸压力在13.8 kPa内，满足标准要求，可用于对口动玩具耐久性测试。

6 小结

该测试装置采用机械及电控代替人工吹吸气，由电机通过传动机构带动气泵内的活塞做直线来回往复运动，实现排出和吸入气体，从而达到模拟儿童吹吸玩具的目的。装置面板上分别设置计数器和气压表，可实时显示测试次数和气压，同时设置气压调整键，对输出气压进行微调。

装置结构合理，操作方便，与人工吹吸气相比，具有吸气和排气量精准控制、重复性好、测试结果准确可靠的优点，特别适合于实验室对口动玩具耐久性的测试。同时该装置可向玩具生产企业推广，提高企业的产品检验效率和准确度，避免企业在此类玩具设计研发上的错误理解和检验测试上的不规范操作，有助于企业提高产品检验能力，减少产品设计成本和委托检测费用，可带来明显的社会和经济效益。

[1]国家质量监督检验检疫总局.国家质量监督检验检疫总局产品召回信息 [DB/OL].http：//www.aqsiq.gov.cn/zjsj/jssj/jssj3/index.htm.

[2]GB 6675.2-2014，玩具安全 第2部分：机械与物理性能[S].2014.

[3]BS EN 71-1：2014，Safety of toys Part 1：Mechanical and physical properties[S].2014.

[4]ISO 8124-1，Safety of toys—Part 1：Safety aspects related to mechanical and physical properties[S].2014.

[5]ASTM F963-16，Standard Consumer Safety Specification for Toy Safety[S].2014.

[6]郭光明，马星民，赵巧芝，等.基于吸入容积效率实测活塞泵排量的计算方法[J]. 煤炭科学技术，2009，（03）：59-62，67.

[7]余剑锋，谭晓兰.硅微压阻式压力传感器的测试与研究[J].山西电子技术，2013，（02）：84-86.

[8]丁英丽.霍尔磁敏传感器的原理及应用 [J].仪表技术，2003，（01）：47-48.